Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

Moderators: dirkwb, Xilvo

Gebruikersavatar
Berichten: 1.606

Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

Achtereenvolgens zijn: \(\small \pi \to e \to \log(2) \to G\) benaderd door het sampelen van uniforme verdelingen. Zie methode onderaan.

Onder andere op wetenschapsforum heb ik enkele tijd geleden een methode laten zien hoe men Pi kan berekenen van de decimalen van Pi zelf (indien Pi een normaal getal is) Pi Decimalen Pi.

Op een ander forum heb ik een jaar geleden mijn gedachten gegeven over een cirkel opgebouwd met muntstukken gestart door TwoTwo. Hier is link: Math Forums.

Op MSE (itex stacks exchange) dezelfde vraag als hieronder. Echter al enige tegen votes gekregen. Dus ik weet niet of ervaren/prof wiskundigen geïnteresseerd zijn: MSE.

Hieronder mijn bevingen (Engels):

Method:
With a normal distribution \(\small \pi\) can be calculated with help of the PDF (probability density function). See: Calculate pi from digits of pi (MSE).
$$f(x)={\frac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}}}e^{-{\frac {1}{2}}\left({\frac {x-\bar{x}}{\sigma }}\right)^{2}}$$
The density at the mean value: \(\small \bar{x}\) is equal to the front end of the PDF. This density at the mean can be approximated by a discrete distribution. Where \(\small n\) is the number of counted/observed values at the mean \(\small \bar{x}\), \(\small N\) is the sample size and \(\small \Delta x\) is the distance between two discrete intervals.
$$f(\bar{x})=\frac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}} \approx \frac{n}{\Delta x N}$$
So if normal distributed \(\small \pi\) CLT (central limit theorm) can be estimated by statistics with:
$$\boxed{\pi \approx \frac{1}{2} \cdot \left( \frac{\Delta x N}{ n \sigma} \right)^{2}} \tag{1}$$
In this example I sampled any digit from \(\small [0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]\) where \(\small s\) is the number of samples “with replacement”. The standard deviation of the mean can be calculated where: \(\small a=0\), \(\small b=9\) and \(\small s\) sample size. The standard deviation from a discrete uniform distribution I calculated with (and divided by number of samples \(\small s\)):
$$\sigma=\sqrt{\frac{(b-a+1)^{2}-1}{12s}}$$
The distance between discrete intervals can be calculated with (found empirical):
$$\Delta x=\frac{1}{s}$$
From counted observations \(\small n\) at the mean value \(\small \bar{x}=4.5\) and formula \(\small (1)\) the value for \(\small \pi\) can be estimated. However also Eulers number can then be estimated by counting the observations \(\small n_{\sigma}\) at the position of standard deviation \(\small \sigma\) and requiring the estimated value for \(\small \pi\):
$$\boxed{e \approx \frac{1}{2\pi} \cdot \left( \frac{\Delta x N}{ n_{\sigma} \sigma} \right)^{2}} \tag{2}$$
In another study regarding discrete circles created with Coin Circles (MF) I encountered a probability density function with the mean value involving \(\small \log(2)\) and \(\small \pi\), the standard deviation involved Catalan's constant \(\small G\). When sampling \(\small \varepsilon \in [0,\frac{1}{2}]\) over a uniform continuous distribution (random) variable \(\small \alpha\) is found by:
$$ \alpha(\varepsilon) =2 \cdot \arctan \left( \frac{1}{2\varepsilon} \right)$$
$$\frac{d \varepsilon}{d \alpha}=-\frac{1}{4} \csc^2 \left( \frac{\alpha}{2} \right)$$
The cumulative probability density function of $\alpha$ was found/defined as:
$$F(\alpha) =\int_{\pi/2}^{\pi} \frac{1}{2} \csc^{2} \left( \frac{\alpha}{2} \right) d \alpha$$
The mean value was calculated with:\(\small \bar{\alpha}=\int_{\pi/2}^{\pi} \alpha \cdot f(\alpha) \ d \alpha\) .
$$\overline{\alpha}=\log(2)+\frac{\pi}{2}$$
So when I sample a continues uniform distribution \(\small \varepsilon\) and determine \(\small \alpha(\varepsilon)\), \(\small \log(2)\) can be calculated with help of the estimated value for \(\small \pi\) and the mean value \(\small \bar{\alpha}\) with:
$$\boxed{ \log(2) \ \approx\ \overline{\alpha}-\frac{\pi}{2} } \tag{3}$$
The variance of \(\small \alpha(\epsilon)\) was calculated with: \(\small Var(\alpha)=\int_{\pi/2}^{\pi} (\alpha-\bar{\alpha})^2 \cdot f(\alpha) \ d \alpha \):
$$Var(\alpha)=-4G - \frac{\log^{2}(4) }{4}+\pi \cdot \log(4)$$
With \(\small G\), Catalan's constant. With the found value for \(\small \log(2)\) and \(\small \pi\) the value for \(\small G\) can be estimated with:
$$\boxed{G\approx \frac{-log^{2}(2) + \pi \cdot \ 2\log(2) -Var(\alpha) }{4} } \tag{4}$$
With the code below: \(\small \pi\) and \(\small e\) have been calculated by sampling from digits: \(\small [0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]\). Then \(\small \log(2)\) and \(\small G\) have been determined with the calculated \(\small \pi\) and sampling from a continuous uniform distribution between: \(\small \varepsilon \in [0,\frac{1}{2}]\).

With: \(\small s=800\) samples, \(\small N=20000\) trials/size and \(\small R=10000\) repeats. The following values were found:
Constants s=800 N=20000 R=10000.jpeg
This calculation already took an hour, I did not have the patience for another marathon of 18 hours like I did for Pi from Pi :) . For easier to read code I did not include all CI (confidence intervals) in sample code below. Those in plots are based upon CI of \(\small \pi\).

Question:
Is there a reason why: \(\small \pi\) and \(\small \log(2)\) are related to mean values and: \(\small e\) and \(\small G\) are related to the standard deviation?

Any other information related to method is very welcome also advice in better itex formulation. This is a very open question but hoped for more insight on the itex involved. Crackpot ideas/observations:
  • \(\small \pi\) is determined without apparent circle definition.
  • \(\small e\) is determined as "width" normal distribution and \(\small \pi\).
  • \(\small \log(2)\) can be calculated from coin circles error angle and \(\small \pi\).
  • Catalan's constant \(\small G\) is determined by width of the error angle distribution of coin circle, \(\small \log(2)\) and \(\small \pi\).
Is there a logic behind all this?

Code: Selecteer alles

import numpy as np
import pandas as pd

#Samples, trials (pick trials >1000 to avoid zero counts) and repeats
s=500
N=1000
R=1000

#Set counting arrays to zero
mean_count=[]
std_count=[]

#stdev, sampled stdev and dx uniform distribution [0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
array=[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
mean=np.mean(array)
var=((array[-1]-array[0]+1)**2-1)/12
stdev=np.sqrt(var)
stdevt=stdev/np.sqrt(s)
dx=1/s

for p in range(R):
    #Create Array random numbers uniform discrete
    random=np.random.choice(array,[N,s])

    #Determine mean no of samples
    m=np.mean(random,axis=1)

    #Create dataframe and count number of observation per interval
    df=pd.DataFrame({'m' : m})
    dfg=df.groupby(['m'])['m'].agg(['count']).reset_index()

    #Count observation at mean: 4.5
    out=dfg[(dfg['m'] < mean +dx/2) & (dfg['m'] > mean-dx/2)]
    nc=out['count'].to_numpy()
    n=np.sum(nc)
    mean_count.append(n)

    #Count observation at standard deviations
    out=dfg[(dfg['m'] < (mean+stdevt+dx/2)) & (dfg['m'] > (mean+stdevt-dx/2)) & (dfg['m'] > (mean-stdevt-dx/2)) & (dfg['m'] > (mean-stdevt-dx/2)) ]
    nc=out['count'].to_numpy()
    n=np.sum(nc)
    std_count.append(n)

#Statistical pi (by counted observation mean)
mean=np.mean(mean_count)
pi=0.5*(dx*N/(stdevt*mean))**2
print('pi: ' + str(np.round(pi,4)) + " (mean)")

#Error in pi 95% CI
stdev=np.std(mean_count)
stdevm=stdev/np.sqrt(R)
pimin=0.5*(dx*N/(stdevt*(mean+2*stdevm)))**2
pimax=0.5*(dx*N/(stdevt*(mean-2*stdevm)))**2
print(str(np.round(pimin,4)) +  "<pi<" + str(np.round(pimax,4))   + " (95%)")

#Statistical Eulers number (by counted observation stdev)
mean=np.mean(std_count)
e=0.5/pi*(dx*N/(stdevt*mean))**2
print('e: ' + str(np.round(e,4)) + " (mean)")

#Statistical log(2) (by mean ya, calc: pi)
epsilon=0.5*np.random.random_sample((N,))
alpha=2*np.arctan(1/(2*epsilon))
log2=np.mean(alpha)-pi/2
print('log(2): ' + str(np.round(log2,4)) + " (mean)")

#Statistical Catalan constant (by stdev ya, calc: pi and log(2))
nvar=np.var(alpha)
G=(-nvar-(log2)**2+pi*2*log2)/4
print("Catalan's Constant G: " + str(np.round(G,4)) + " (mean)")

Gebruikersavatar
Berichten: 2.409

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

We weten dat deze reeksontwikkeling bestaat voor \(\pi\)

$$\pi = 4(1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+...)$$

Dat \(\pi\) dan ook naar voor komt in heel wat wiskundige problemen die je niet direct linkt aan een cirkel verwondert mij niet.

Hetzelfde voor \(e\)

$$e = 1+\frac{1}{1!}+\frac{1}{2!}+\frac{1}{3!}+...$$

Bovendien is \(e^x\) de oplossing van een bijzondere differentiaal vergelijiking netzoals een sinus (die gelinkt is aan \(\pi\)) een oplossing is van een basis differentiaal vergelijking.
Ook hier verwondert het mij niet dat het terug komt bij het oplossen van heel wat problemen.

Ik denk eigenklijk dat je op het antwoord komt als je op zoek gaat naar het bewijs (wat relatief lastig is) waarom de formule voor een normaalverdeling

$$f(x)={\frac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}}}e^{-{\frac {1}{2}}\left({\frac {x-\bar{x}}{\sigma }}\right)^{2}}$$

is, in het geval van je eerste probleem.

Gebruikersavatar
Berichten: 1.606

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

Welk probleem bedoel? Ik heb een aardig inzicht waarom de Gauss verdeling is wat hij is. De afleiding van de normaal verdeling kan ik aardig goed volgen. Daar komt pi te voorschijn omdat men de Gauss verdeling gaat als het ware 3D gaat zien in polaire coördinaten.

Het is genuanceerder dan jij schets naar mijn mening. Ik heb het nergens over een "probleem".

Jouw beschrijving is niet geheel compleet welke specifieke diff. vergelijkingen je bedoeld. Welke zijn dan gerelateerd aan hetgeen dat ik onderzoek? Het is mijn onduidelijk wat je bedoeld. Dan kan ik wellicht verder studeren mochten deze gerelateerd zijn.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.409

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

'Probleem' is misschien niet het juiste woord. Ik bedoel jouw verwondering dat \(\pi\) berekend kan worden op basis van jouw formule (1).

\(e^x\) is de oplossing van

$$\frac{dy}{dx}=y$$

dat alleen al maakt het voor mij voor de hand liggend dat het op zoveel plekken in de fysica en de wiskunde terugkomt in het algemeen.

Ik geef geen rechtstreekse verklaring voor jouw vraag, ik wil alleen aangeven dat het mij omwille van bovenstaande totaal niet verwondert dat \(\pi\) en \(e\) zo dikwijls terugkomen. Ik weet niet of er wat mezelf betreft, een verklaring gaat zijn buiten de rechtstreekse onderliggende wiskundige bewijzen, die mij meer meer inzicht zou geven.

p.s. Het stond mij voor dat de afleiding van de normaalverdeling lastig was en daarom in de meeste statistische boeken zoals die gebruikt worden in het onderwijs niet opgenomen is. Ik zal het nog eens terug moeten nalezen.

Gebruikersavatar
Berichten: 1.606

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

Dankjewel voor de aangevulde informatie. Snap jouw bedoelde context echter nog niet geheel.

De methode is op zich verwonderlijk dat ik deze nog nooit ben tegengekomen. Ik heb veel alternatieve methoden gezien om pi te bepalen: random dots, 2D random walk (middels gamma functie), staafjes werpen, oplossingen Riemann Zeta etc.

Als pi daadwerkelijk een normaal getal is kan je pi ook berekenen aan de hand van zijn eigen decimalen ongeacht getallen systeem (binair, hexadecimaal, decimaal)! Zoals ik demonstreer. Dat is op zichzelf een merkwaardige eigenschap, beetje vreemd dat zoiets als "gewoon", "niet verwonderlijk" of "logisch" word gezien! Ik word een oude dromerige man denk ik :)

Een echt bewijs leveren dat pi een normaal getal is vereist natuurlijk een heel ander kaliber aan wiskunde. Maar volgens mij laat mijn simpele demonstratie zien dat: pi, e, log(2) en G mogelijk normale getallen zijn (ze kunnen geheel statistisch bepaald worden).

Gebruikersavatar
Berichten: 2.409

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

OOOVincentOOO schreef: vr 18 mar 2022, 22:09 Als pi daadwerkelijk een normaal getal is kan je pi ook berekenen aan de hand van zijn eigen decimalen ongeacht getallen systeem (binair, hexadecimaal, decimaal)! Zoals ik demonstreer. Dat is op zichzelf een merkwaardige eigenschap, beetje vreemd dat zoiets als "gewoon", "niet verwonderlijk" of "logisch" word gezien! Ik word een oude dromerige man denk ik :)
Met pi is een normaal getal bedoel je dat de cijfers voldoen aan dezelfde eigenschappen waaraan een goede pseudo randomgenerator moet voldoen. Dat je pi uit de verdeling van een pseudorandom generator kan berekenen, daar kan ik inkomen, dat het dan ook berekend kan worden uit de willekeur van pi zelf ook dat verwondert mij nu ook niet zo sterk.

Wat precies in de wiskunde verwondering veroorzaakt is natuurlijk persoonlijk. Meestal ben ik iets sneller verwonderd door dingen uit de natuurkunde dan uit de wiskunde. Bvb de hele relativiteitstheorie dat is iets dat mij verwondert.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.409

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

OOOVincentOOO schreef: vr 18 mar 2022, 21:14 Welk probleem bedoel? Ik heb een aardig inzicht waarom de Gauss verdeling is wat hij is. De afleiding van de normaal verdeling kan ik aardig goed volgen. Daar komt pi te voorschijn omdat men de Gauss verdeling gaat als het ware 3D gaat zien in polaire coördinaten.
Het is het bewijs van de centrale limietstelling dat best lastig is. Dat is natuurlijk gelinkt aan de normaalverdeling, maar ik had mij niet goed uitgedrukt.

Het bewijs van de normaalverdeling op basis van die darts zoals hier op SE beschreven valt best mee. Is wel geen heel rigoureus bewijs lijkt mij. Het is wel een redelijk eenvoudig bewijs.

https://math.stackexchange.com/question ... on-derived

Gebruikersavatar
Berichten: 1.606

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

Ik maak inderdaad gebruik van de CLT (centrale limiet stelling) al benoem ik deze niet expliciet. Maar ik sample vanuit een uniforme verdeling en dan is de CLT volgens mij acceptabel toepasbaar.

Het begrip normaal getal is prima gedefinieerd zoals hier: https://en.wikipedia.org/wiki/Normal_number

Communicatie is effectiever als men gewoon vraagt als ik onduidelijk ben. Nu zijn we 6 berichten verder. De richting of reden van deze discussie ontgaat mij.

Heb je interesse dat ik het een of ander toelicht? Dan vraag gerust specifiek waar, dat is respectvol en leuk!

Gebruikersavatar
Berichten: 2.409

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

OOOVincentOOO schreef: vr 18 mar 2022, 23:00 Het begrip normaal getal is prima gedefinieerd zoals hier: https://en.wikipedia.org/wiki/Normal_number
Ok, ik kende die definitie niet.
OOOVincentOOO schreef: vr 18 mar 2022, 23:00 Ik maak inderdaad gebruik van de CLT (centrale limiet stelling) al benoem ik deze niet expliciet. Maar ik sample vanuit een uniforme verdeling en dan is de CLT volgens mij acceptabel toepasbaar.
Ik snap voor de rest wel je redenering en je Python code.

Ik denk niet dat er echt een concrete vraag is, maar je wil laten zien dat dit iets is waar je over verwonderd bent dat het zo is. Ik vind het wel bijzonder, maar nu niet iets waar ik van omver val. Dat is wat ik wil bedoelen zonder dat ik daarmee iets negatief wil zeggen.

Gebruikersavatar
Berichten: 1.606

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

@wnvl1,

Fijn dat je dan de beschreven methode hebt kunnen volgen. Dat was een hoop gecondenseerde informatie in de openings post. Wist niet zeker of het te volgen zou zijn.

Heb jij enige punten/redenen waarom (zie openings post):

\(\small \pi\) en \(\small \log(2)\) bepaald worden op gemiddelden?

En:

\(\small e\) en \(\small G\) (Catalan's constante) bepaald worden op locatie: variantie/standaard afwijking?

Van \(\small e\) kan ik mij voorstellen dat deze met name voorkomt bij verandering (afgeleide blijft immer gelijk). In relatie tot Catalan's constante heb ik geen idee daar heb ik weinig ervaring mee.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.409

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

Wat misschien helpt is te beseffen dat een variantie eigenlijk op zich ook een gemiddelde is maar dan van een andere verdeling. De variantie is het gemiddelde van de kwadratische afwijkingen van je metingen tov het gemiddelde. Dus in de grond worden e en G ook berekend op basis van gemiddelden.

Ik betwijfel eerlijk gezegd of je veel meer kan verwachten van een antwoord. Je kan bewijzen dat de het gemiddelde of de standaard deviatie e, G, log 2 of iets anders is. Ik vermoed dat je dat bewijs snapt. Je gaat verdelingen kunnen vinden waar pi of e te voorschijn komt in het gemiddelde en/of de variantie. Je mag dat niet beschouwen alsof pi altijd geassocieerd is met een gemiddelde en iets anders altijd met een variantie.

Gebruikersavatar
Berichten: 1.606

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

wnvl1 schreef: vr 18 mar 2022, 22:55 Het bewijs van de normaalverdeling op basis van die darts zoals hier op SE beschreven valt best mee.
I heb het nergens over een afleiding van de normaal verdeling gehad met behulp van darts. Weet niet precies waarom je dat ter sprake brengt.
wnvl1 schreef: vr 18 mar 2022, 23:47 Je gaat verdelingen kunnen vinden waar pi of e te voorschijn komt in het gemiddelde en/of de variantie. Je mag dat niet beschouwen alsof pi altijd geassocieerd is met een gemiddelde en iets anders altijd met een variantie.
Klopt en terechte gedachte. Het is interessant te weten welke verdelingen je bedoeld of voorbeelden te geven.

Wellicht dat ik nog wat verder ga studeren met Catalan's constante en de MVT (mean value theorm) en gemiddelde en stdev in relatie verdelingen.

Iets als voor gemiddelde en variantie zou dan oplossingen dienen te hebben voor gemiddelde en variantie:
$$\bar{x}=\int_{a}^{b} x \cdot f(x) \ d x \to e \tag{1}$$
$$Var(x)=\int_{a}^{b} (x-\bar{x})^2 \cdot f(x) \ d x \to e \tag{2}$$
En dan waarden voor \(\small f(x)\) vinden. Waarvan ik voor \(\small (2)\) al voorbeelden heb.

Maar dankjewel voor het delen van jouw mening.

Gebruikersavatar
Berichten: 1.606

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

Volgens mij is het zo netter omschreven. De pdf (probability density functie) \(\small f(x)\) op de locatie van het gemiddelde en de variantie zou dan een van de constanten dienen te bevatten.
$$\bar{x}=\int_{a}^{b} x \cdot f(x) \ d x \tag{1}$$
$$f(\bar{x}) \in [\pi, e, \log(2), G, \dots]$$
$$Var(x)=\int_{a}^{b} (x-\bar{x})^2 \cdot f(x) \ d x \tag{2}$$
$$f(\small Var(x) \normalsize) \in [\pi, e, \log(2), G, \dots]$$
Ik laat het nu allemaal rusten anders word dit een oneindig lang draadje. Dat is niet mijn intentie. Genoeg geleerd voorlopig.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.409

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

Maar je zei dat je de afleiding voor de normaal verdeling goed begreep. Ik reageerde daarop door te verwijzen naar onderstaande link op SE. Het eerste antwoord dat een niet-rigoureus bewijs is werkt met darts. Daarom dat ik verwees naar darts.
wnvl1 schreef: vr 18 mar 2022, 22:55 Het bewijs van de normaalverdeling op basis van die darts zoals hier op SE beschreven valt best mee. Is wel geen heel rigoureus bewijs lijkt mij. Het is wel een redelijk eenvoudig bewijs.

https://math.stackexchange.com/question ... on-derived

Gebruikersavatar
Berichten: 2.409

Re: Afschatten: Pi->e->log(2)->G door sampelen uniforme verdeling

De uitdaging die je dus wil aangaan is een verdeling die pi oplevert in de uitdrukking voor haar standaarddeviatie, maar die niet expliciet pi bevat in het voorschrift van haar waarschijnlijkheidsdichtheidsfunctie (anders is het wel eenvoudig). Is dat dan je vraag?

Reageer